Kiến tạo mảng, chuyển động biên mảng và truyền sóng địa chấn P – S

Mục tiêu: Khảo sát chuyển động kiến tạo mảng, phân biệt tiêu chấn và tâm chấn, so sánh vận tốc truyền sóng dọc P và sóng ngang S, và vận dụng độ trễ thời gian Δt_(S−P) để định vị khoảng cách tới nguồn động đất.

Lý thuyết: Thạch quyển Trái Đất gồm các mảng kiến tạo chuyển động trên lớp quyển mềm với tốc độ vài cm/năm. Tại ranh giới mảng (phân kỳ, hội tụ, trượt bằng), ứng suất tích lũy dọc đứt gãy gây ra động đất tại tiêu chấn (độ sâu h). Điểm chiếu thẳng đứng lên mặt đất là tâm chấn. Sóng địa chấn phát ra gồm sóng khối P (sóng dọc nén – dãn, truyền qua cả rắn và lỏng, v_P ≈ 6,2 km/s trong vỏ lục địa) và sóng S (sóng ngang biến dạng cắt, chỉ truyền qua môi trường rắn, v_S ≈ 3,6 km/s). Khoảng cách từ tiêu chấn tới trạm quan trắc d_hypo = √(d_epi² + h²) liên hệ trực tiếp với hiệu thời gian đến của hai sóng: Δt_(S−P) = t_S − t_P = d_hypo·(1/v_S − 1/v_P).

Giả thuyết: Khi khoảng cách từ nguồn chấn động tới trạm địa chấn d_hypo tăng lên, cả thời gian truyền sóng P và sóng S đều tăng nhưng sóng S tụt lại phía sau càng nhiều, làm khoảng cách giữa hai đỉnh sóng P và S trên băng ghi địa chấn (Δt_(S−P)) tăng tỉ lệ thuận với d_hypo.

Biến độc lập: Tốc độ dịch chuyển mảng v_mảng (cm/năm), khoảng cách tâm chấn d_epi (km) và độ sâu tiêu chấn h (km)

Biến phụ thuộc: Khoảng cách đường truyền tiêu chấn d_hypo (km), thời gian đến của sóng P (t_P) và sóng S (t_S), độ trễ Δt_(S−P) (s) và độ trượt tích lũy Δx (m)

Biến kiểm soát: Vận tốc sóng dọc chuẩn trong vỏ Trái Đất v_P = 6,2 km/s, vận tốc sóng ngang v_S = 3,6 km/s và chu kỳ tích lũy tham chiếu 120 năm

Dụng cụ: Mô hình mặt cắt thạch quyển – đới đứt gãy hiển thị tiêu chấn (độ sâu h) và tâm chấn trên mặt đất; Trạm địa chấn kế kỹ thuật số ghi nhận mặt sóng dọc P và mặt sóng ngang S; Băng ghi địa chấn (Seismogram) tự động đo hiệu thời gian Δt_(S−P) = t_S − t_P

1. Bước 1: Giữ h = 25 km, tăng dần khoảng cách tâm chấn d_epi từ 50 km lên 300 km để kiểm chứng Δt_(S−P) tăng tuyến tính theo d_hypo.
2. Bước 2: Giữ d_epi = 150 km cố định, tăng độ sâu tiêu chấn h từ 15 km lên 200 km để phân biệt động đất nông và động đất đới hút chìm sâu.
3. Bước 3: Điều chỉnh d_epi và h để đạt đúng độ trễ mục tiêu Δt_(S−P) ≈ 24,0 s theo yêu cầu định vị tâm chấn.

Hướng dẫn quan sát: Quan sát trên mặt cắt địa chất hai vòng sóng đồng tâm lan truyền từ tiêu chấn (vòng sóng P màu xanh lam đi trước, vòng sóng S màu cam đi sau) và khoảng cách giữa hai xung P – S trên băng ghi địa chấn.

Giải thích kết quả: Với v_P = 6,2 km/s và v_S = 3,6 km/s, hệ số khoảng cách là k_PS = (v_P·v_S)/(v_P − v_S) ≈ 8,58 km/s. Nhân độ trễ Δt_(S−P) (s) với 8,58 km/s cho phép khôi phục chính xác khoảng cách d_hypo (km).